Thomas Chabrol naît le 24 avril 1963 dans le 8e arrondissement de Paris. Fils du réalisateur Claude Chabrol, il est issu de sa relation avec son actrice fétiche Stéphane Audran.

Le couple se rencontre à la fin des années 50 sur le tournage du film Les Cousins et tombe immédiatement amoureux. À cette époque, le réalisateur est encore marié à Agnès Goute avec qui il a eu deux enfants et dont il divorcera en 1963. Un an après la naissance de Thomas, le couple se marie. Même s’il passe la majeure partie de son enfance à l’abri des regards, le jeune homme ne tarde pas à se sentir attiré par les plateaux de tournage.

Soutenu par ses parents, Thomas se lance dans une carrière au cinéma. Il tourne ainsi sous la direction de son père dans Alice ou la Dernière Fugue puis dans Une affaire de femmes, Madame Bovary ou encore Betty aux côtés de sa mère. Le duo tourne ensemble jusqu’en 2009 avec le film Bellamy — dernier film du réalisateur qui décède l’année suivante. Thomas ne se contente pas de travailler avec ses parents puisqu’il collabore avec d’autres réalisateurs dont Bertrand Tavernier, Stéphane Brizé et Jacques Maillot. Il travaille également à la télévision en décrochant quelques rôles dans des séries à l’instar de Nicholas Le Floch et La Crim’.